哪些半導(dǎo)體工藝將主導(dǎo)5G的未來？

 在未來數(shù)年內(nèi)，仍有數(shù)不清的機(jī)遇推動(dòng)5G射頻技術(shù)創(chuàng)新，而半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展無疑將扮演重要角色。從整個(gè)行業(yè)來看，從工藝和材料開發(fā)到設(shè)計(jì)技巧和建模，再到高頻測(cè)試和制造，仍有很多工作需要完成。在實(shí)現(xiàn)5G目標(biāo)的道路上所有學(xué)科都將參與其中，而半導(dǎo)體工程材料技術(shù)是重中之重。

“隨著5G技術(shù)的出現(xiàn)，現(xiàn)在成為一名射頻微波工程師是一件令人激動(dòng)的事情。在我們通往5G——下一代無線通信系統(tǒng)的道路上，工程設(shè)計(jì)社區(qū)有著數(shù)不清的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。”ADI公司無線技術(shù)部總監(jiān)Thomas Cameron博士曾經(jīng)撰文指出，作為射頻從業(yè)人員對(duì)5G的到來充滿期待，“5G代表著移動(dòng)技術(shù)的演進(jìn)和革命，已達(dá)到無線生態(tài)系統(tǒng)各個(gè)成員迄今發(fā)布的多項(xiàng)高級(jí)別目標(biāo)。”如何迎接5G帶來的機(jī)遇和解決相伴而來的挑戰(zhàn)?在前不久的中國(guó)之行中，Thomas面對(duì)中國(guó)媒體采訪侃侃而談，其中半導(dǎo)體工藝技術(shù)成為其中重要的一環(huán)。

5G18052801 ADI無線技術(shù)部總監(jiān)Thomas Cameron縱談5G應(yīng)用挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體工藝技術(shù)路線在5G之后的“新常態(tài)”

半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展路線幾乎是全球電子技術(shù)核心技術(shù)發(fā)展的主要軌跡。第一代半導(dǎo)體材料以硅幾乎數(shù)十年“霸屏”全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)，至今半導(dǎo)體器件和集成電路絕大多數(shù)都是基于硅材料。上世紀(jì)90年代以來，隨著光纖通訊和互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，促進(jìn)了以砷化鎵(GaAs)為代表的第二代半導(dǎo)體材料的發(fā)展需求，成為制造高性能微波、毫米波器件及發(fā)光器件的優(yōu)選材料，廣泛應(yīng)用于光通信、無線通訊、GPS導(dǎo)航等領(lǐng)域。

第三代半導(dǎo)體材料主要包括碳化硅(SiC)、氮化鎵(GaN)、金剛石等，因其高禁帶寬度特性(大于或等于2.3 電子伏特，又被稱為寬禁帶半導(dǎo)體材料)，以及具有高擊穿電場(chǎng)、高飽和電子速度、高熱導(dǎo)率、高電子密度、高遷移率等特點(diǎn)，收到業(yè)內(nèi)固態(tài)光源、電力電子、微波射頻器件制造商的青睞，成為光電子和微電子等產(chǎn)業(yè)的“新發(fā)動(dòng)機(jī)”。

為了滿足5G時(shí)代三大場(chǎng)景的業(yè)務(wù)需求，5G對(duì)系統(tǒng)及器件提出了高速、寬帶、低功耗、高頻及低時(shí)延等多項(xiàng)技術(shù)要求。比如，5G系統(tǒng)的工作頻率從低頻到 100GHz，瞬時(shí)帶寬從20MHz 到 1GHz，功率放大器的平均輸出功率從幾W到幾十W。此外，5G系統(tǒng)還需要具有更高的工作效率，更低的能耗及更低的成本要求等。與當(dāng)前成熟的Sub 6GHz的5G技術(shù)相比，寄予業(yè)界更大期待的微波和毫米波5G技術(shù)面臨更大的挑戰(zhàn)，半導(dǎo)體工藝技術(shù)的創(chuàng)新與變革首當(dāng)其沖。

百花齊放的5G半導(dǎo)體工藝技術(shù)族譜

毫米波5G的一個(gè)信號(hào)鏈，其實(shí)在這里面有涉及很多不同的技術(shù)，例如低頻的地方數(shù)字和轉(zhuǎn)化器可以使用CMOS工藝，再往前端走像變頻器這些集成電路會(huì)用一些SiGe工藝，然后到靠天線這個(gè)地方，再用砷化鎵或者氮化鎵的工藝，所以這是有很多技術(shù)的不同工藝技術(shù)的結(jié)合。“ADI是業(yè)界里面唯一一家能夠提供從數(shù)字到整個(gè)天線這一整個(gè)solution的一個(gè)廠商。” Thomas表示。

“GaAs多年來一直是微波行業(yè)的主流技術(shù)，一流的微波系統(tǒng)通常采用GaAs元件實(shí)現(xiàn)。但SiGe工藝正在克服高頻工作障礙，以便在多項(xiàng)信號(hào)路徑功能上與GaAs一較高下。” Thomas指出，“特別是高性能微波SiGe Bi CMOS工藝具有波束成形系統(tǒng)所需的高集成度，惠及很多信號(hào)鏈以及輔助控制功能。”波束成型技術(shù)被認(rèn)為未來5G微波和毫米波通信的關(guān)鍵技術(shù)。

ADI覆蓋了從DC到100GHz的全部無線頻段。

“取決于每個(gè)天線所需的輸出功率，可能需要采用GaAs PA。然而，在微波頻率下甚至GaAs PA(功率放大器)都效率較低，因?yàn)樗鼈冊(cè)诰€性區(qū)域內(nèi)通常會(huì)發(fā)生偏移。” Thomas表示，微波PA的線性化是探索5G時(shí)代的必然選擇，此趨勢(shì)相比過去有過之而無不及。

那么作為傳統(tǒng)集成電路的“霸主”CMOS技術(shù)在5G應(yīng)用中將有哪些機(jī)會(huì)，能否占有一席之地?“各種文檔都已明確指出，CMOS適合大規(guī)模調(diào)整(scaling)，這點(diǎn)在60 GHz的WiGig(無線千兆網(wǎng)絡(luò))系統(tǒng)中已經(jīng)得到了驗(yàn)證。” Thomas肯定的表示。值得指出的是，ADI在微波應(yīng)用的CMOS半導(dǎo)體技術(shù)上的探索走到了業(yè)界前面，先后推出了多款創(chuàng)新的28nm CMOS高速轉(zhuǎn)換器，針對(duì)4G/5G多頻段無線通信基站、多標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)和防御電子產(chǎn)品等GHz帶寬應(yīng)用場(chǎng)合而設(shè)計(jì)。“CMOS在5G的應(yīng)用上具有高集成度低功耗和低成本的優(yōu)勢(shì)，目前ADI在更小的工藝尺寸去挑戰(zhàn)并取得成就，這也是ADI未來努力的一個(gè)方向。” Thomas表示。

“考慮到目前尚處于開發(fā)的早期階段，且使用案例也不甚明確，因而很難說CMOS是否、或者何時(shí)會(huì)用作5G無線電的技術(shù)選擇。”Thomas指出，“首先必須完成很多通道建模和使用案例方面的工作，以便總結(jié)無線電規(guī)格以及未來使用微波CMOS的可行性。”這方面的技術(shù)探索無疑還會(huì)是未來市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

從數(shù)字信號(hào)到毫米波信號(hào)，不同的優(yōu)勢(shì)的半導(dǎo)體工藝技術(shù)覆蓋了整個(gè)信號(hào)鏈。

本文總結(jié)：

在未來數(shù)年內(nèi)，仍有數(shù)不清的機(jī)遇推動(dòng)5G射頻技術(shù)創(chuàng)新，而半導(dǎo)體工藝技術(shù)的發(fā)展無疑將扮演重要角色。正如前文所述，嚴(yán)格的系統(tǒng)工程通過在整個(gè)信號(hào)鏈中采用最好的技術(shù)實(shí)現(xiàn)最佳的解決方案。從整個(gè)行業(yè)來看，從工藝和材料開發(fā)到設(shè)計(jì)技巧和建模，再到高頻測(cè)試和制造，仍有很多工作需要完成。在實(shí)現(xiàn)5G目標(biāo)的道路上所有學(xué)科都將參與其中，而半導(dǎo)體工程材料技術(shù)是重中之重。